复杂敏感环境城区隧道爆破振动及噪声控制技术.pdf

:./.复杂敏感环境城区隧道爆破振动及噪声控制技术种玉配 李治国 马占国 刘书奎中铁隧道局集团特种高新技术有限公司(上海)中铁隧道局集团有限公司(广东广州)中国矿业大学力学与土木工程学院(江苏徐州)摘 要 为了避免和减少隧道爆破振动及噪声对复杂敏感环境城区的影响以珠海板障山新增隧道为例采用数值模拟和现场爆破试验的方法对不同掏槽眼延期时间下既有隧道迎爆侧进行爆破振动监测 发现掏槽眼延期时间 时既有隧道迎爆侧爆破振速最小 同时针对隧道进口段周边建筑物繁多、爆破噪声大、飞石迸溅的问题进行了炮孔封堵和防飞石的试验 设计发明了一种新型炮孔堵塞装置在装药量增大情况下爆破噪声能够控制在允许范围内 在洞口采用联合防护门帘减少了飞石迸溅的风险 可为复杂敏感环境城区隧道爆破振动和噪声控制提供参考关键词 敏感环境爆破振动爆破噪声电子雷管分类号.().()().引言对于城市市区交通工程隧道和岩基类地层以当前的技术条件采用钻爆法开挖坚硬岩石隧道相对来说是最经济合理的施工方法但又不可避免地对既有隧道、周边建(构)筑物及居民生活带来不利影响 需要对城区隧道爆破振动及噪声进行控制在隧道爆破振动控制方面危皓等通过优化炮孔装药量和起爆顺序制定了预裂和光面综合爆破的大断面爆破开挖方案对爆破振动能量有很好的衰减效果 学者们分析了预裂缝和减振孔的减振第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()国家重点研发计划()中铁隧道局集团有限公司科技创新计划()第一作者:种玉配()男硕士工程师主要从事隧道与地下工程科研与管理工作:.机理对比了不同排水减振孔后的减振效果 王松青等通过分台阶爆破、松动爆破、直孔掏槽、周边密集减振孔、空气间隔装药等优化设计将峰值振速控制在安全允许速度以下 宗琦等在地铁下穿砖混结构建筑物段通过减少最大单段药量、多分段和增加上、下台阶的距离来优化爆破方案使建筑物更为安全 李小贝研究发现既有隧道在距离爆破点最近的断面振速达到峰值且衬砌中迎爆侧墙腰区域的峰值振速和峰值应力最大 在爆破噪声控制方面王武刚通过控制用药量以及信息化施工监测等措施动态调整、控制噪声 龚伦提出覆盖爆破声源体、高精度雷管等措施降低爆破噪声 孙燕提出了爆破噪声管理方案相关学者主要采用控制最大单段药量、预裂爆破和减振孔等措施进行爆破振动的控制采用光面爆破、控制最大单段药量和覆盖爆源等措施进行爆破噪声的控制并且爆破周边环境相对简单保护对象单一本文中针对珠海板障山新增隧道采用掏槽眼延期时间控制和发明设计一种新型炮孔堵塞装置辅以洞口竹胶板防护门和防护门帘进行爆破振动、噪声和飞石的控制以实现对既有隧道、周边建(构)筑物的保护 工程概况板樟山新增隧道工程位于广东省珠海市香洲区是跨越板樟山、连接香洲和拱北的重要南北向城市主干道 新增隧道围岩主要为中、微风化砂岩岩石较破碎围岩为 级但隧道两端洞口处岩体风化严重节理裂隙很发育岩体完整性较差围岩为 级 新增上、下行隧道与既有隧道紧邻最小净间距约 倍洞径 采用爆破施工必然会对既有隧道产生一定的影响 隧道洞口周边环境复杂建(构)筑物繁多共计 栋最近处房屋距离隧道口约 减少隧道施工对隧道周边居民的影响是本工程的重点、难点之一 既有隧道爆破振动控制.数值计算.材料单元的选取在/中一般采用高性能炸药材料 来模拟炸药的爆轰采用状态方程 来描述爆炸时炸药材料的压力特征同时可以描述炸药爆炸产生的单位体积的内能、爆轰产物的压力和相对体积参数 本次模拟使用炸药的具体参数见表 表 中:为炸药密度 为爆轰速度为爆炸压力、为表征炸药特性的参数 为初始内能表 炸药及状态方程的主要参数./()/()/./.一般采用 来描述岩石材料这是一种考虑了材料失效的随动硬化、各向同性以及应变率有关的模型 砂岩的力学参数如表 所示表 砂岩的材料参数./()/./.表 中:为砂岩密度 为泊松比 为弹性模量 为初始屈服应力为塑性硬化模量 为有效塑性应变为切线模量 空气和炮泥材料模型与参数见文献.数值模型建立模型边界选取左右边界 上下边界 隧道埋深 沿隧道轴向边界 新增隧道与既有隧道间距为 模型中平行于隧道中心线的为 方向垂直于隧道中心线并指向隧道掘进方向的为 方向垂直于隧道中心线并指向地表的为 方向 模型四周设置无反射边界条件 为了简化模型一共设置了 个掏槽孔、个扩槽孔、个辅助眼和 个周边眼整个模型共划分 个节点 个单元数值模拟模型如图 所示 模拟中采用电子雷管的掏槽孔孔间延期时间分别为、.数值计算结果 选取既有隧道迎爆侧边墙上的点作为爆破振 年 月 复杂敏感环境城区隧道爆破振动及噪声控制技术 种玉配等 图 数值模型.动测点 此处根据现场实际只考虑延期时间 以内 统计不同延期时间下测点的爆破峰值振速如表 所示 最大振速方向为模型中平行于隧道中心线方向表 不同延期时间下测点的爆破峰值振速.质点编号与炮孔水平距离/最大振速/().从表 可以看出爆破峰值振动速度并不是一味随着延期时间的增大而减小 而在延期时间为 时爆破峰值振速最小.现场应用以掏槽孔延期时间 为基准布置炮眼参数如表 所示 其余各孔间延期时间分别为、表 掏槽孔延期时间 的爆破试验参数.炮孔类型延期时间/雷管数炮孔深度/总装药量/掏槽孔.扩槽孔.一台掘进孔.二抬掘进孔.中间掘进孔.内圈孔.周边孔.底板孔.总计.数码雷管炮眼布置图见图 图 数码雷管炮眼布置图(单位:).(:)爆 破 器 材 第 卷第 期 以掌子面到既有隧道距离最近断面为监测断面布设爆破振动传感器采集最大振速结果如表 所示表 不同延期时间下测点的爆破峰值振速.测点位置与炮孔水平距离/延期时间/最大振速/()迎爆测.迎爆测.迎爆测.迎爆测.迎爆测.迎爆测.从表 可以看出实测爆破峰值振速随着延期时间的变化规律与数值计算的基本一致 在延期时间为 时爆破峰值振速最小为了定量地研究不同延期时间所带来的减振效果将质点峰值振速降低程度进行统计并对减振效率 做出定义 计算公式如下:()式中:为齐发爆破时的最大振速为不同延期时间下的最大振速按照式()计算不同延期时间下的减振效率如图 所示 图 不同延期时间下的减振效率.当延期时间取 时爆破峰值振速相对较小为./相比 情况减小了./减振效率达.说明在该种围岩地质条件下当延期爆破的延期时间取 时 个爆破孔先后起爆可以实现波峰与波谷的互相影响而降低振速同时采集 延期时间下附近建筑物爆破振速最大振速如表 所示表 延期时间下不同建筑物的爆破峰值振速.监测点位置与爆破点直线距离/最大振速/()金钟花园.柠溪幼儿园.隧道管理所.从表 可见周边建筑物的爆破峰值振速均在./以下爆破振速控制效果较好 爆破噪声和飞石的控制.新型炮孔消声装置.新型炮孔消声装置设计 设计了一种用于降低隧道爆破噪声的炮孔消声装置如图 所示 整体呈圆台状使用高弹聚酯材料孔隙率较高具有一定的吸声性能 后端直径为炮孔孔径 前端略小为 方便施工过程中塞入炮孔纵向开设 条宽度 的消声槽环向开设 条宽度 的消声槽间距 消声槽相互连通形成连续贯通空间其中每个消声槽均用于传播爆破声波以使消声装置本体充分吸收声波进而降低爆破噪声 图 炮孔消声装置.新型炮孔消声装置现场应用使用风钻、钻杆按照设计要求钻孔之后在炮孔内部装填炸药雷管 在距离炮孔 位置处将炮孔消声装置本体的前端先装入炮孔内同时注意将脚线沿着炮孔消声装置本体的消声槽引出炮孔直至炮孔消声装置本体的后端与炮孔口齐平如图 所示 最后按照设计要求起爆 年 月 复杂敏感环境城区隧道爆破振动及噪声控制技术 种玉配等 图 现场实施图.防护门帘.现场防护门帘设计在隧道进洞段往往由于隧道进尺长度比较小掌子面的爆破飞石能够飞出洞外造成一定的安全隐患为了将飞石阻隔在隧道内在洞门设置竹胶板防护门和防护门帘组合形式 橡胶是高弹性的高分子材料长链分子结构及分子间存在较弱的次级力使橡胶材料呈现出独特的黏弹性能 竹胶板是在竹子板上贴了橡胶防护门帘也尽量使用橡胶塑料材料 不仅能够吸收爆破飞石能量而且能够保证自身的强度安全竹胶板防护门的尺寸为:两侧高 宽 上部高 宽 竹胶板通过钢丝绳绑扎在型钢骨架上型钢骨架通过钢筋与防水台车进行焊接连接一侧竹胶板上需要开口方便风筒穿过口径在 防护门帘的尺寸为:高 宽 块防护门帘可以各自独立掀开 防护门帘通过铁丝与上部的竹胶板型钢骨架连接 现场设置如图 所示 图 洞口飞石防护装置.现场防护门帘的应用噪声显示屏主要起到实时监测和现场显示环境噪声的功能 监测显示在爆破后场区监测的爆破噪声级为.白天不超过.通过常规炮孔堵塞与新型堵塞装置的堵塞试验进行噪声监测数据的对比分析 消声效果对比分析如表 所示表 消声效果对比分析.距离/装药量/炮孔填塞方式爆破噪声级炮泥.炮泥.炮泥.炮泥.炮泥.消声装置.消声装置.消声装置.消声装置.消声装置.由表 可见在测试距离均为 且总装药量增加的情况下平级噪声级分别为.和.采用新型炮孔消声装置与采用普通炮泥对比发现平均总装药量增加.的情况下噪声降低了.充分说明本消声装置的可实用性在洞门采取竹胶板防护门和设置防护门帘组合形式后爆破飞石大部分被阻隔在洞内 由于防护门帘的吸能阻隔小部分飞石飞出散落在洞口附近飞出距离控制在 左右对附近的人员设备影响比较小 随着施工里程不断增大掌子面远离洞口爆破飞石飞出洞口的现象很少发生 结论通过对板障山新增隧道爆破施工过程中电子雷管延期时间的数值计算和现场试验得到了既有隧道不同电子雷管延期时间下的最大爆破振速 设计发明了一种新型炮孔消声装置及洞口防飞石装置得到了炮泥堵塞和新型炮孔消声装置应用下的现场场区爆破噪声数据对比主要结论如下:)在掏槽眼电子雷管延期时间为 时既有隧道最大爆破峰值振速现场实测为./很好地控制对既有隧道的爆破振动影响)新型炮孔消声装置设计及应用后爆破噪声控制在标准以内 采用新型炮孔消声装置与采用普通炮泥对比:平均总装药量增加.的情况下噪声降低了.充分说明本消声装置的可实用性 竹胶板防护门和设置防护门帘组合的应用使得爆破飞石迸溅的风险降低 爆 破 器 材 第 卷第 期参 考 文 献 危皓 薛江龙 陈宗祥 等.大断面软弱围岩隧道爆破振动控制试验研究.铁道建筑 ():.():.孙琰 刘敬智 李吉杨芙.减振孔在缅甸某露天矿区爆破振动控制中的应用.中国矿业 ():.():.张志威 梅顶 吴建鹏.新建隧道近接既有隧道爆破施工减振措施研究.山西建筑 ():.():.王松青 张全峰 汪海波 等.武汉地铁区间隧道下穿建筑物爆破振动控制技术研究.工程爆破():.():.宗琦 吴杨勇 王松青 等.地铁隧道下穿砖混结构建筑物爆破振动控制.安徽理工大学学报(自然科学版)():.()():.李小贝.爆破施工对邻近既有隧道的振动响应研究.爆破 ():.():.王武刚.隧道爆破噪声控制技术研究.低温建筑技术 ():.():.龚伦.攀枝花铁矿降低爆破噪声的措施.工程爆破 ():.():.孙燕.论述露天开采爆破噪声环境的影响评价.环境与发展 ():.():.种玉配 熊炎林 齐燕军.轴向不耦合装药结构形式优化仿真研究.工程爆破 ():.():.熊炎林 种玉配 齐燕军 等.聚能爆破在隧道开挖成型控制中的仿真试验研究.爆材器材 ():.():.年 月 复杂敏感环境城区隧道爆破振动及噪声控制技术 种玉配等